樁周土體靜阻力模型研究及在打樁中的應(yīng)用

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 摘要： 基于樁側(cè)土體和樁端土體的變形與破壞機(jī)理不同，以及土力學(xué) 理論 、有關(guān)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，并為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，分別采用雙曲線模型、理想彈塑性模型來(lái)描述樁側(cè)土體靜阻力和樁端土體靜阻力特性?？紤]樁身自重及樁周土體阻力作用建立了一維動(dòng)力打樁波動(dòng)方程，采用有限差分法進(jìn)行求解，編制了基于上述土體模型的打樁 分析 軟件ADP，并用該軟件對(duì)某海洋樁基平臺(tái)的打樁工程進(jìn)行了數(shù)值分析。結(jié)果表明，本文建立的模型更符合實(shí)際情況，有助于提高分析精度。 

關(guān)鍵詞： 雙曲線模型 理想彈塑性 波動(dòng)方程 1     概述           在運(yùn)用波動(dòng)方程法預(yù)測(cè)樁的可打入性及單樁極限承載力中，樁周土體靜力模型的合理選擇是個(gè)極其重要的 問(wèn)題 。土體的靜力特性遠(yuǎn)非線彈性、理想彈塑性能簡(jiǎn)單描述，而非線性、非彈性、彈塑性等模型可較好地描述。因此，改進(jìn)土體靜力模型及其 計(jì)算 參數(shù)的確定 方法 ，是進(jìn)一步完善波動(dòng)方程分析法的一個(gè)非常重要方面。    樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮一般是樁體和土體之間的剪切破壞，也可能是樁體帶著部分土體，土體間的剪切破壞，而樁端阻力的發(fā)揮有的是 “ 刺入 ” 破壞，有的是 “ 壓剪 ” 破壞  [1]  。由此可知，樁側(cè)土主要承受剪切變形，而樁端土體變形主要是壓縮，而且不能承受拉應(yīng)力，樁側(cè)土體和樁端土體的變形和破壞機(jī)理是截然不同的。       文獻(xiàn)   [2]  通過(guò)室內(nèi)剪切試驗(yàn)，測(cè)得不同法向壓力下，鋼和混凝土材料分別與土之間的摩阻力與剪切位移的關(guān)系曲線，用以描述樁、土間的荷載傳遞特性。結(jié)果表明摩阻力和剪切位移呈非線性關(guān)系，而且符合雙曲線方程。漢森 (Hansen) 、瑞典樁基委員會(huì)和 ISSMFE 提案也都曾假定壓載試驗(yàn)的荷載 - 位移 (P-S) 曲線為雙曲線  [3]  。曹漢志  [4]  通過(guò)試樁發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)到的荷載傳遞曲線可近似用雙曲線來(lái)描述。王幼青、張克緒  [5]  等人通過(guò)分析 71 根樁的壓載試驗(yàn)的荷載 - 位移 (P-S) 曲線，得到 S/P-S 的線性回歸的相關(guān)系數(shù)的平均值為 0.9976 ，這表明樁的荷載 - 位移 (P-S) 曲線完全可近似用雙曲線關(guān)系來(lái)擬和。但該文中不分樁側(cè)土體、樁端土體，均采用雙曲線模型來(lái)模擬，模型中參數(shù)完全基于樁的靜載荷試驗(yàn)值，不易推廣。      由上述土力學(xué)理論及室內(nèi)、室外試驗(yàn)結(jié)果，都表明在靜荷載作用下樁周土體表現(xiàn)出非線性特性，并可用雙曲線來(lái)描述荷載與位移的關(guān)系。但基于樁側(cè)土體和樁底土體的變形及破壞機(jī)制不一樣，而且樁端土不能承受拉力的特點(diǎn)，因此，樁側(cè)與樁端土體靜力模型 應(yīng)用 不同的模型來(lái)描述。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，文中樁側(cè)土體靜摩阻力與剪切位移的模型采用雙曲線關(guān)系，樁端土體仍采用理想彈塑性模型來(lái)描述 ( 即同 Smith 法  [6]   ) 。     2    樁周土體模型        2.1     改進(jìn)的樁側(cè)土體模型      在動(dòng)力打樁過(guò)程中，樁側(cè)土體單元 i 在時(shí)刻 t 時(shí)所發(fā)揮的靜阻力和動(dòng)阻力分別由非線性彈簧 ( 雙曲線 ) 和緩沖壺組成的模型來(lái)模擬 ( 如圖 1) 。       2.1.1   樁側(cè)土體靜摩阻力雙曲線模型     樁側(cè)土體單元 i 在時(shí)刻 t 時(shí)所發(fā)揮的靜摩阻力 R s (i,t)( 下文簡(jiǎn)寫為 R s ) 與剪切位移 S(i,t)( 下文簡(jiǎn)寫為 S) 假定用康納 (Kondner) ?雙曲線擬和，即 R s -S 的關(guān)系曲線，如圖 2 中 (a) 可用下式表示： R s =S/(a+bS)  (1)     式中： a 、 b 為待定系數(shù)。